Soporte para espejo

Un soporte para espejo es un dispositivo que sostiene un espejo . ^{[ 1 ]} En la investigación óptica , estos pueden ser dispositivos bastante sofisticados, debido a la necesidad de poder inclinar y ladear el espejo en cantidades controladas, mientras se mantiene en una posición precisa cuando no se está ajustando.

Un soporte para espejo óptico generalmente consta de una placa frontal móvil que sujeta el espejo y una placa posterior fija con tornillos de ajuste. Estos tornillos permiten el movimiento de la placa frontal alrededor de los ejes de rotación en las direcciones de cabeceo (vertical) y guiñada (horizontal). Un tercer actuador opcional suele permitir la traslación en el eje z. ^{[ 2 ]}

Los soportes de precisión para espejos pueden ser bastante caros, y su diseño requiere una cantidad considerable de ingeniería. Estos sofisticados soportes suelen ser necesarios para láseres , interferómetros y líneas de retardo óptico .

El tipo más común de soporte para espejos es el soporte cinemático . ^{[ 3 ]} Este tipo de soporte está diseñado según los principios de la determinación cinemática . Normalmente, el marco móvil que sostiene el espejo pivota sobre un rodamiento de bolas insertado en un orificio del marco fijo. Idealmente, este orificio debería ser triedro (en forma de pirámide). A menudo se utiliza un orificio cónico por su facilidad de fabricación. El marco pivota mediante dos micrómetros o tornillos de rosca fina , con rodamientos de bolas de acero en sus extremos. Uno de estos rodamientos descansa en una ranura en V, el otro sobre una superficie plana. En los soportes más económicos, la superficie plana puede ser simplemente del material del soporte. En los soportes más caros, la superficie plana (y quizás también el orificio y la ranura en V) puede estar hecha de un material mucho más duro (a menudo zafiro ), insertado en el marco.

La razón de este peculiar mecanismo es que la primera bola (idealmente) hace contacto con el marco fijo en exactamente tres puntos, la segunda en dos y la tercera en uno solo. Estos seis puntos de contacto limitan con precisión los seis grados de libertad de movimiento del marco móvil. Esto permite un movimiento preciso del marco al girar los micrómetros o tornillos, sin oscilaciones ni fricción innecesarias.

A disadvantage of kinematic mounts is that the center of the mirror moves along its normal axis, when the mirror is rotated. This is because the center of rotation is the middle of the first ball bearing, not the center of the mirror. For optical cavities and interferometers, it is often desirable to be able to align the mirrors separately from adjustments to the length of the cavity. For these applications and others, a more sophisticated mount is required.

One way of eliminating this translation along the axis is to set the first ball on a fine-thread screw as well. By appropriate adjustment of all three screws, the mirror can be tilted in either direction without translation. The screws can be driven by a motor under computer control to make this seem to the operator like simple rotation about a virtual pivot point in the center of the mirror surface. The translation can instead be eliminated mechanically by using a gimbal mount, which uses two rings that each pivot about a line running through the center of the mirror. This gives kinematically correct two-axis rotation about the center of the mirror.

With both types of mount, springs are needed to keep the frame pressed against the ball bearings, unless the mount is designed to be used only in an orientation where gravity will keep the frame in place. Following the cantilever principle, a large mount allows finer control than a smaller one. The frames are ideally made of a light material, to make the resonant frequency of the structure high. This reduces vibration, since many common sources of vibration are relatively low frequency. For stability, the fixed frame is supported by a rigid mount that is securely bolted to a supporting surface. In a laboratory environment, this is typically an optical table. A shock can cause the mount to move away from the ball bearings, but because there are only 6, hard contacts, the mirror will return to the original position, preserving the alignment.

The mount itself has to avoid deformation of the mounted optics. Stress from mounting can introduce aberration in the light reflected from a mirror, or photoelasticity inside a lens. In some lasers the mirrors have to be easily replaced, in which case the mount needs to be designed to allow the mirror to be removed and replaced without losing the correct alignment.

Los tornillos de rosca fina presentan un comportamiento de deslizamiento y adherencia ; al usarlos manualmente, se aplica un par con dos dedos hasta que la rosca se desliza ligeramente, y luego se lee la nueva posición en una escala. Los tornillos económicos presentan deslizamientos prolongados y carecen de escala. Los micrómetros de precisión ofrecen un mejor rendimiento y proporcionan una escala de referencia. Al usarlos de forma remota, se emplea un motor eléctrico para aplicar pulsos cortos de par. El motor está firmemente conectado al tornillo y a la rosca, y a nada más, de modo que el pulso se absorbe por fricción. Para leer la posición electrónicamente, se acopla un codificador rotatorio . Cuando la bola no está completamente centrada en el tornillo y el eje de este no es perpendicular a la superficie del espejo (lo cual es una característica específica de algunos soportes de espejo de alta gama), se superpone un pequeño error cosenoidal en el movimiento del espejo al movimiento lineal del tornillo, que un controlador podría compensar. Si se requiere un control más preciso de la posición del espejo, se pueden emplear espejos accionados por piezoeléctricos con una distancia de movimiento de unos pocos μm, y sin el fenómeno de deslizamiento y adherencia de un tornillo mecánico.

Los espejos de extremo de la cavidad láser requieren una alineación muy precisa. Debido a su baja divergencia, los haces láser necesitan espejos de dirección precisos. Para la creación de prototipos de sistemas ópticos en una mesa óptica, se pueden usar soportes para espejos para sujetar otros elementos además de los espejos; por ejemplo, las lentes a menudo necesitan alinearse para minimizar la coma . En ocasiones, los prismas solo necesitan alineación en dos ejes y pueden montarse en un soporte para espejos en lugar de una mesa para prismas de tres ejes.

Los cristales con fase crítica coincidente se pueden alinear y ajustar con precisión mediante un soporte de espejo estándar. Lo mismo ocurre con los etalones , retardadores y polarizadores pequeños . Además, los soportes de espejo que utilizan imanes en lugar de resortes permiten retirar el marco móvil y volver a colocarlo exactamente en la misma posición.

• Aunque la rotación se puede lograr mediante un soporte semigimbal, la mayoría de las plataformas de rotación no están diseñadas según los principios de determinación cinemática.
• Un cojinete de movimiento lineal o una etapa lineal con determinación cinemática utiliza dos ranuras en V que se deslizan sobre un cilindro, una superficie plana que se desliza sobre un segundo cilindro paralelo y una superficie plana que se une al tornillo.
• El hexápodo, conocido por los simuladores de vuelo, permite el movimiento con seis grados de libertad. Para la determinación cinemática, cada pata consta de una rótula insertada en un orificio triedro en el bastidor fijo, una rótula unida a una placa plana en el bastidor fijo y una rótula unida a un orificio triedro en el bastidor móvil. La parte móvil de la pata está conectada mediante una rosca que discurre enroscada en la parte fija.
• Una unión roscada adquiere determinación cinemática de la misma manera que cualquier otro cojinete de rotación .
• El rodamiento de bolas y el rodamiento de rodillos cilíndricos están sobredeterminados, ya que tienen más puntos de contacto de los necesarios para una correcta determinación cinemática. Esto conlleva una disminución de la precisión a medida que las articulaciones se desgastan.
• El cojinete flexible y el elemento piezoeléctrico ofrecen una mayor precisión que otros cojinetes mecánicos.

• Célula de soporte del espejo
• Optimizador de placa
• Acoplamiento cinemático